五、深度学习优化算法

1、mini-batch梯度下降

\qquad mini-batch指的是将原本整个batch的数据集进行划分，e.g., 将整个数据集以1000条数据为标准划分成小的batch。

\qquad mini-batch梯度下降的流程如下所示：
\qquad 在进行mini-batch训练时，训练的成本可能不是随着训练次数增加而一直减小，而是呈现出波动下降的趋势，因为不同的mini-batch的数据之间的难易程度不一样。

\qquad 如下图所示，mini-batch size的选择不能过大也不能过小，若size过大会减慢训练的速度，若size过小会使得训练波动性变大，训练效果变差。

\qquad 若训练集的数量比较小($m\le 1000$)，可以不使用mini-batch训练，可以直接使用batch gradient descent进行训练。典型的mini-batch size包括64,128,256和512，一般不会使用1024以及更大的mini-batch进行模型训练。同时需要保证mini-batch size符合CPU/GPU的内存格式，否则会影响训练效果。

2、指数加权平均-Exponential Weighted averages

\qquad 指数移动平均的计算式如下所示：
$$v_t=\beta v_{t-1}+(1-\beta ){\theta }_t$$
\qquad 其中，$\beta \in [0,1]$的值可以用来衡量移动平均的时间窗跨度，$\beta$的值越接近于1，移动平均的时间窗跨度越大，从而移动平均之后的数据相对于原始数据的来说越平滑；反之，移动平均值后的数据和原始数据的分布越接近。

2.1 指数加权平均的偏差修正

\qquad 在移动平均的前期，通常经过移动平均的数据相对原始数据的偏差较大，所有可以给指数移动平均添加一个修正项，修正之后的指数移动平均计算方法为：
$$v_t=\frac{\beta v_{t-1}+(1-\beta ){\theta }_t}{1-{\beta }^t}$$

3、 动量梯度下降- gradient with momentum

\qquad 动量梯度下降的执行过程如下所示，相对于普通的梯度下降算法，动量梯度下降将学习率之后的项由$dw,db$替换成了$v_{dw},v_{db}$。

4、RMSprop

\qquad RMSProp的思想也是想要减小梯度下降过程中梯度在$b$方向上的震荡幅度，同时不减小在$w$方向上的收敛幅度，RMSProp的计算过程如下所示：

5、Adam optimization algorithm

\qquad 将上述gradient descent with momentum 和 RMSProp相互结合，同时使用偏差修正之后，就得到了Adam optimization algorithm，其计算流程如下所示：

\qquad Adam 指的是Adaptive Moment Estimation，其中的hyper parameters取值：学习率$\alpha$需要通过parameter tunning 来选择调整；${\beta }_1$通常取值为0.9， ${\beta }_2$通常取值为0.999，$ϵ$通常取值为$10^{-8}$。

6、Learning rate decay

\qquad 使用learning rate decay的intuition是：当使用mini-batch进行训练时，当batch size选的比较小时，通常会造成学习不收敛，使得最终目标在最优值附近较大幅度地震荡，所以可以在训练初始阶段使用较大的学习率，使得训练速度加快；在之后使用比较小的学习率，使得震荡幅度减小。

7、Local optima in neural networks

\qquad 由于神经网络在训练时通常会有很多维度的参数空间，所以通常神经网络不容易陷入一个很坏的局部最优解。
\qquad plateaus型函数会极大减慢训练的效率，所以可以使用Adam来提高运算效率。

THE END